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• Boris Apata

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EJERCICIOS PROPUESTOS PRIMER PARCIAL-2020 MODELOS DE SIMULACIÓN

CASO DE ESTUDIO #1. Terminal Cochabamba se encuentra ubicada en el Km 6 ½ de la Avenida Petrolera en la parte posterior de la Refinería Gualberto Villarroel, dicha terminal recibe Gas Natural procedente del gasoducto GAA a 950 psig, en dicha terminal el gas deberá ser regulado y entregado a YPFB Redes a una Presión máxima de 80 psig, también deberá alimentar a la refinería Gualberto Villarroel con power gas a una presión máxima de 40 psig. El flujo de gas deberá ingresar a un sistema de filtrado para eliminar las impurezas o escorias que pueda contener, para luego ingresar a un sistema de regulación en dos etapas, como se puede observar en el siguiente diagrama de flujo. P2=?? T2=21.39 ºF

P-13

P=950 psig

P-12

Venteo ATM

Primera Etapa de Regulación

V-6

T=35 ºF

E-2

A YPFB Redes P=80 PSIG T = 2.95 ºF

P-5

P-6

P-2

V-1

P-14

P-14

P-16

V-3

Segunda Etapa de Regulación A

V-7

Filtro-100 P-18

E-3 V-8

P-9

A Drenaje

Venteo ATM P-11

P-17

P-10

P-19

V-5 V-9

E-4

P-4 P-7

P-15

Segunda Etapa de Regulación B

P-3 V-4

A YPFB Refinación

V-2

Filtro-101 E-5

P=40 PSIG T = 1.47 ºF

P-8

A Drenaje

Antes de la puesta en Marcha se desea prevenir la formación de Hidratos y la Congelación de las Cañerías y Válvulas de Regulación, para ello es necesario determinar la cantidad y puntos de conexión de los calentadores catalíticos, tomando en cuenta el catalogo adjunto de CATCO.

Elaborado por: Ing. Rene Zurita López. Escuela Militar de Ingeniería – Unidad Académica Cochabamba. Facultad de Ciencias Energéticas. Gestión I-2020

EJERCICIOS PROPUESTOS PRIMER PARCIAL-2020 MODELOS DE SIMULACIÓN Datos de los Equipos: Sistema de Filtrado: Cuenta con 2 Filtros tipo Canastillo en Paralelo, Marca PECO, Diámetro de Entrada 3 (in), Diámetro de Salida 3 (in), Presión de Operación 1100 Psig, Presión de Diseño 1140 Psig, Material Acero al Carbono, Conexiones Bridadas, Material del Canastillo Estándar con un diferencial de presión de 2 a 3 psig, espesor de pared ¾ de Pulgada. Datos de las Tuberías: Las Tuberías son de Acero al Carbono con un diámetro nominal de 4 in SCH 40 STD, la distancia mínima de cañerías es de 6 metros entre el sistema de filtrado y la primera etapa de regulación. Datos de las Válvulas de Regulación: La Primera Etapa de Regulación tiene un diámetro nominal de 4 in. Y un diferencial de presión máximo de 400 psig. La segunda etapa de regulación A y B tienen un diámetro nominal de 3 in. Recomendaciones para el Diseño: - La Velocidad del Flujo en ningún caso podrá ser menor a 25 (ft/s) y mayor 65 (ft/s). - La Temperatura máxima del proceso es de 95 (°F) y la mínima 35 (°F). - La Gravedad específica del fluido es de 0.57 - El 65 % del Flujo es entregado a YPFB Redes, el restante a YPFB Refinación. REALICE LO SIGUIENTE: 3) Elabore el Balance de Masa y Energía. solución 𝑑𝑚 = 𝐹(𝑖𝑛) − 𝐹(𝑜𝑢𝑡) 𝑑𝑡 𝐹(𝑖𝑛) = 𝐹(𝑜𝑢𝑡) ̇ = 𝑚2 ̇ 𝑚1 ̇ 𝑚1 = 𝜌1 ∗ 𝑄1 𝑃𝑀 ∗ 𝑃 𝜌1 = 𝑅∗𝑍∗𝑇 𝑃𝑀𝑔𝑎𝑠 = 𝑃𝑀𝑎𝑖𝑟𝑒 ∗ 𝑆𝐺𝑔 𝑄1 = 𝑉1 ∗ 𝐴1 𝜋𝐷𝑖2 𝐴1 = 4 𝐷𝑖 = 𝐷𝑒 − 2𝑒

Sup y Rest. -Estado Estacionario (dt=Ctte)

-

Densidad 1 ≠ Densidad 2 PM aire = 28.96 Lb/Lb-mol R=10.73 (Ft3*Psi/R*Lb-mol) Gas Ideal Z=1 V=25 ft/s El espesor se determinara mediante el catálogo de tuberías correspondiente a la norma API 5L, SCH 40 STD

Elaborado por: Ing. Rene Zurita López. Escuela Militar de Ingeniería – Unidad Académica Cochabamba. Facultad de Ciencias Energéticas. Gestión I-2020

EJERCICIOS PROPUESTOS PRIMER PARCIAL-2020 MODELOS DE SIMULACIÓN Solucion 𝑑ℎ = 𝐻𝑖𝑛 − 𝐻𝑜𝑢𝑡 + 𝑞𝑎 + 𝑞𝑟 ± 𝑊 𝑑𝑡 𝑞𝑟 = 𝐻𝑜𝑢𝑡 − 𝐻𝑖𝑛 ̇ ∗ 𝑇1 𝐻𝑖𝑛 = 𝑚1 ∗ 𝐶𝑝1 𝑞𝑟 = 𝑚 ∗ 𝐶𝑝 ∗ (𝑇2 − 𝑇1)

Sup y Res. -

Est. Est. W=0 Qa=0

Q=A*U*(T2-T1) 𝑄𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑙 =

𝜋 ∗ 𝐾 ∗ 𝐿 ∗ (𝑇2 − 𝑇1) 𝑟𝑒 𝐿𝑛 ( ) 𝑟𝑖

4) Determine los Grados de Libertad. 5) Determine la Cantidad y ubicación de los Calentadores Catalíticos que se necesitan.

DATOS ADICIONALES

-

Conductividad Térmica de la Tubería (K) = 26 BTU/hr*ft*°F. U= 2.8 BTU/hr*ft2*°F Longitud de un calentador 30 ft.

CASO DE ESTUDIO #2. Una Solución Salina, Procedente de un lodo de perforación se encuentra a 32 °F y es Calentado en un Tanque (con un sistema de agitación continua), las conexiones son bridadas de acero al carbono clase 150, en el interior se tiene incorporado un serpentín de acero al carbono, la longitud del serpentín es de 2500 mm. Aproximado. Las perdidas Calóricas se consideran de un 10% del calor transferido, el Líquido ingresa, con un caudal de 60 (m3/hr), el recipiente es de 2 (m2) de sección circular y tiene un rebosadero de 1,5 (m). Por el serpentín ingresa una corriente de Vapor de Agua para incrementar la temperatura de la solución salina hasta los 90 °F. La tubería de vapor fue diseñada para una temperatura máxima de 280 °F, el vapor está configurado de tal forma que retorne a la caldera de vapor para recircular el vapor hacia el tanque de la solución salina, en almacenes se tiene disponibles tuberías de 4 (in) y 6 (in) de diámetro nominal, para la línea de vapor. Elaborado por: Ing. Rene Zurita López. Escuela Militar de Ingeniería – Unidad Académica Cochabamba. Facultad de Ciencias Energéticas. Gestión I-2020

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Tabla 1: Datos Adicionales Calor Especifico

1.13

Kcal/kg°C

Caudal

60

m3/hr

Densidad

1.212

Kg/m3

Solución Salina

Vapor de Agua Calor Epecifico

1,84 0,48

cal/(g·°C J/(kg·K)

REALICE LO SIGUIENTE: 1) Evalué los Datos del Caso de estudio. 2) Determine el o los Volúmenes de Control. 3) Elabore el Balance de Masa y Energía. 4) Determine los Grados de Libertad.

5) Realice los Cálculos Correspondientes para determinar el flujo de vapor de agua, la temperatura ideal y el diámetro óptimo de la tubería de vapor (justifique su respuesta).

AGITADOR

SOLUCIÓN SALINA

VAPOR DE AGUA

SOLUCIÓN SALINA

VAPOR DE AGUA

CASO DE ESTUDIO #3. Una corriente de crudo procedente del tanque (TK-100) se encuentra a 190°C a una presión de 45 psia, el flujo de entrada ingresa al horno a 15 ft/seg , el crudo está Elaborado por: Ing. Rene Zurita López. Escuela Militar de Ingeniería – Unidad Académica Cochabamba. Facultad de Ciencias Energéticas. Gestión I-2020

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caracterizado como ligero con un grado API de °55, el crudo ingresa al horno (h-1001), donde es calentado por medio de un serpentín de acero al carbono con una rugosidad de 0.0024, un diámetro nominal de 65(mm), cedula 80, grado “B” y una superficie de 14 m2, el serpentín presenta una caída de presión de 10 Psig. El horno es alimentado por una corriente de gas metano para incrementar la temperatura del crudo a 390°C, el flujo de calor en la zona de tiraje es de un 10% de calor transferido hacia el serpentín, a la salida del horno el crudo presenta una fracción de vapor de 0.85, el horno está cubierto con ladrillo refractario que minimiza las pérdidas de calor a un 5% del Calor Generado por los quemadores. REALICE LO SIGUIENTE: 1) Evalué los Datos del Caso de estudio. 2) Determine el o los Volúmenes de Control 3) Elabore el Balance de Masa y Energía. 4) Determine los Grados de Libertad. 5) Realice los Cálculos Correspondientes para determinar el flujo de metano y las pérdidas de calor.

CASO DE ESTUDIO #4 Una Planta de Tratamiento de Gas Natural con un régimen de Flujo Molar 650 Lb-mol/hr implementara la Válvula Joule Thomson para favorecer el proceso de separacion, por lo tanto se requiere implementar sistemas de intercambio de calor en los separadores SP-100 y SP-101 para garantizar la calidad de los productos terminados tal como se muestra en la siguiente figura:

Elaborado por: Ing. Rene Zurita López. Escuela Militar de Ingeniería – Unidad Académica Cochabamba. Facultad de Ciencias Energéticas. Gestión I-2020

EJERCICIOS PROPUESTOS PRIMER PARCIAL-2020 MODELOS DE SIMULACIÓN 7

4

5 1

2

SP-100 VVL-001 “JT”

SP-101

3

E-4 SALIDA DE VAPOR DE AGUA

VAPOR DE AGUA 6

Considere los siguientes Datos: Item

1

2

Presión (Psig)

1420

710

Temperatura (°C)

20

¿?

3

4

5

6

7

700

700

680

680

¿?

¿?

¿?

¿?

¿?

25

Considere lo Datos de la siguiente tabla para obtener los flujos másicos. Cromatografía de Ingreso SP-100

Cromatografía de Salida por el Tope SP100

Cromatografía de Salida por el Fondo SP-101

C1=75%

C1=90%

C1=1%

C2=2%

C2=88%

C2=1%

Elaborado por: Ing. Rene Zurita López. Escuela Militar de Ingeniería – Unidad Académica Cochabamba. Facultad de Ciencias Energéticas. Gestión I-2020

EJERCICIOS PROPUESTOS PRIMER PARCIAL-2020 MODELOS DE SIMULACIÓN

C3=8%

C3=35%

C3=95%

C4=6%

C4=20%

C4=97%

C5=4%

C5=10%

C5=98%

C6=5%

C6=8%

C6=99%

Se requiere determinar la cantidad de calor que se requiere, el Flujo Másico de gas a exportación y la recuperación de los componentes licuables, junto con el flujo másico de vapor de agua a utilizar. a) Establezca los Volúmenes de Control. b) Determine los Mecanismos de Control y Plantee las Suposiciones del Problema para cada Volumen de Control establecido. c) Realice el Balance de Materia de cada volumen de control. d) Realice el Balance de Energía. e) Determine si el Problema puede ser Resuelto mediante un análisis de los grados de libertad, enumere las ecuaciones y las incógnitas que considero para este análisis. CASO DE ESTUDIO #5 Para determinar la presión mínima de operación, vale decir, la presión de ingreso al tanque esférico se utilizara la presión de vapor verdadera del GLP, la cual se determinó mediante la herramienta “Cold Properties”. Por lo tanto, la presión de vapor verdadera será 140 psig o 154.7 psia, considerando que la densidad del GLP es 528.8 kg/m3, se determinará la presión en el tanque esférico y la altura hidrostática (LL) a esa presión. Para obtener la presión interna del tanque será necesario considerar la presión mínima de succión en las bombas Elaborado por: Ing. Rene Zurita López. Escuela Militar de Ingeniería – Unidad Académica Cochabamba. Facultad de Ciencias Energéticas. Gestión I-2020

EJERCICIOS PROPUESTOS PRIMER PARCIAL-2020 MODELOS DE SIMULACIÓN booster, dicha presión deberá ser 145 psig, en el siguiente diagrama se muestran los puntos a considerar.

Pvv=140 psig

h1 h Ptk

P2=145 psig h2

Figura 1: ALTURAS Y PRESIONES

Dónde: 𝑃2 = Presión en la succión de las bombas. ℎ2 = Diferencia de altura entre la salida del tanque y la succión de las bombas. ℎ1 = Altura del nivel de líquido en el tanque (LL) h= Altura hidrostática considerando el nivel de GLP y la Tubería de salida. h1+1.8 (m) = h Elaborado por: Ing. Rene Zurita López. Escuela Militar de Ingeniería – Unidad Académica Cochabamba. Facultad de Ciencias Energéticas. Gestión I-2020

EJERCICIOS PROPUESTOS PRIMER PARCIAL-2020 MODELOS DE SIMULACIÓN h2 = 2.5 (m) 𝑚 𝑠2

Gravedad = 9.88 ( ) Densidad del Fluido: 528.8 kg/m3 Para la obtención de la pérdida de carga considere lo siguiente: Tabla 1: DATOS

Variable

Valor

Unidad

Descripción

𝑄

8,000

BPD

Caudal Promedio

𝑇𝑚𝑎𝑥

100

°F

Temperatura Máxima

L

25

m

D

6

in

Diámetro nominal

857905.065

adim

Flujo Turbulento

0,0179

adim

Factor de friccion

Re f

Longitud de tubería extraída de la Figura 1

Adicional se consideró como accesorios lo siguiente: -

Una Válvula de Control.

-

Dos Codos de 90° STD.

-

Una Tee.

Realizado los cálculos se obtuvo una pérdida de carga de 1.8 psia desde la salida del tanque hasta la succión de las bombas. Considerando los datos del proceso determine el valor de h1, equivalente a la altura mínima en el tanque esférico Low Low (LL).

Elaborado por: Ing. Rene Zurita López. Escuela Militar de Ingeniería – Unidad Académica Cochabamba. Facultad de Ciencias Energéticas. Gestión I-2020